Phytolith solubility in paddy soil

Siliziumaufnahme spielt eine wichtige Rolle bei der Stressresistenz vieler Pflanzen. Wichtige Kulturpflanzen wie Reis und Weizen nehmen große Mengen an Silizium (Si) aktiv aus der Bodenlösung in Form gelöster Kieselsäure auf. Diese fällt im Pflanzengewebe in Form mikroskopisch kleiner, amorpher Si-Dioxid-Partikel, den sogenannten Phytolithen, aus. Die Bedeutung der Rückführung von Pflanzenresten für den Si-Kreislauf in Böden hängt stark von der Löslichkeit der Phytolithe ab. Einerseits zeigen Laborexperimente, dass Phytolithe sehr löslich sind, anderseits finden sich große Mengen an Phytolithen in vielen Böden, was darauf hinweist, dass sie über längere Zeiträume stabil sein können. In diesem Projekt sollen Faktoren der Löslichkeit von Phytolithen während ihrer Alterung in Böden untersucht werden. Die Arbeitshypothese ist, dass die Löslichkeit der Phytolithe während der Alterung durch den Rückgang an aktiver Oberfläche und der Änderung der chemischen Zusammensetzung der Phytolithoberfläche (Sorption von Eisen und Aluminium sowie organischer Stoffe; Bildung von Sekundärmineralschichten) abnimmt. Außerdem wird vermutet, dass die wechselnden Redoxbedingungen in Reisböden die Anlagerung eisenreicher Schichten an der Phytolithoberfläche beschleunigen und dadurch zur verstärkten Abnahme der Phytolithlöslickeit führen. Um die Hypothesen zu untersuchen, werden aus Reisstroh extrahierte Phytolithe in Böden unter unterschiedlichen Bedingungen inkubiert, nach verschiedenen Zeitpunkten (d.h. zunehmenden Alterungszuständen) wieder gewonnen und untersucht. Die Änderungen der Phytolithoberflächen werden u.a. mittels Elektonenmikroskopie und Rötgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) analysiert. Außerdem werden in Laborexperimenten die Änderungen der Phytolithlöslichkeit bestimmt und mit verschiedenen chemischen Variablen (z.B. Fe- und Al-Gehalte der Phytolithoberflächen) verglichen. Das Projekt zielt darauf ab, die bestimmenden Prozesse beim Phytolithumsatz im Boden anhand detaillierter Untersuchung der chemischen Veränderungen an Oberflächen besser zu verstehen.

Silicon nutrition plays a crucial role in stress resistance of major crop species such as rice and wheat. These plants actively take up large quantities of dissolved silicon (Si), which precipitates in the plants forming amorphous silicon dioxide bodies, the `phytoliths`. The impact of straw recycling on Si cycling and bioavailability in rice soils depends on solubility of phytoliths in soil. Laboratory studies showed high dissolution rates for fresh phytoliths extracted from plant litter. These data, however, seem to contradict the sometimes large storage of phytoliths in topsoils and at archaeological sites. The proposed project plans to systematically study factors determining the solubility of phytoliths during ageing in soil. It is hypothesized that phytolith solubility decreases over time due to (i) decreases in active surface area and (ii) formation of inorganic and organic coatings on the phytoliths surfaces (surface `passivation`). We assume that the formation of iron-rich coatings is intensified by periodic changes in redox conditions in rice soils; the redox cycles should thus accelerate the passivation of phytolith surfaces. Mineral bags containing phytoliths extracted from rice straw will be buried in soil under different conditions, and the chemical and morphological changes at phytolith surfaces during phytolith ageing will be tracked, using a variety of analytical methods, including scanning electron microscopy (SEM) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The solubility of the phytoliths retrieved from the mineral bags will be studied in laboratory experiments, and relations between the chemical composition of the surfaces (e.g., Fe and Al concentrations) and phytolith solubility will be tested. The project aims at providing insight to the processes controlling the phytolith cycling in soils by precise nanometer-scale characterization of chemical alterations at surfaces of reactive silicate minerals.